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신재생에너지 기반 독립 에너지공급 시스템 최적 설계 및 에너지수요 부문별 경제성 평가
The Optimal Design and Economic Evaluation of a Stand-Alone RES Energy System for Residential, Agricultural and Commercial Sectors 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.4, 2016년, pp.470 - 478  

김기현 (인천대학교 에너지화학공학과) ,  김지용 (인천대학교 에너지화학공학과)

초록
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화석연료 사용으로 인한 환경오염과 기후변화는 전 지구적인 환경 문제로 대두되고 있다. 또한 화석연료 고갈 및 경제적 취약성을 극복하기 위하여 태양광, 풍력 등 신재생에너지 자원 기반 에너지공급 시스템 구축이 많은 관심을 받고 있다. 이러한 신재생에너지 시스템은 자원의 낮은 공급안정성을 극복하기 위하여 다양한 자원을 이용한 독립 통합 에너지공급 시스템 설계 및 운전 전략이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 PV, Wind turbine, 화석연료 기반 발전 및 저장장치 등으로 구성된 독립 에너지공급 시스템을 설계하였다. 또한 최적화 모델을 이용하여 각 지역별 최적 전력생산 시스템의 구성요소를 규명하고 소요비용을 분석하였다. 제시된 모델 검증을 위하여 한국의 주거, 농업, 상업부문 등 주요 에너지수요 만족을 위한 설계문제를 해결하였다. 그 결과 주거부문의 경우 $0.37~$0.44/kWh, 농업부문의 경우 $0.15~$0.61/kWh, 상업부문의 경우 $0.12~$0.28/kWh의 단위전력 비용을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Greenhouse gas (GHG) emissions caused by fossil fuels consumption is one of the challenging issues worldwide. Renewable energy source (RES)-based energy supply system can be a promising alternative to the current fossil fuel-based system. In this study, we propose an optimization approach for design...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존의 다양한 전사적 연구결과에도 불구하고 실제 국가 에너지 수요는 지역적 및 시간적으로 변동폭이 크며 이러한 수요변화는 에너지공급 시스템 설계 시 반드시 고려되어야 할 요소이다. 따라서 본 연구에서는 신재생에너지 자원 기반 독립 통합 에너지공급 시스템을 설계하고 효과적 운전을 위한 공급시스템 운영전략 개발을 위한 최적분석 방법을 개발하고자 한다. 그리고 개발된 에너지 시스템분석 방법론을 한국 에너지 시스템 설계 문제에 적용함으로써 한국에서의 신재생에너지 기반 독립 에너지공급 시스템 및 운전전략을 분석하였다.
  • 현재의 개별 소비주체를 위한 독립 공급 시스템에 관한 추가연구와 함께 신재생에너지 자원 기반의 중앙 집중 에너지 공급 시스템 개발 및 비교 분석에 관한 연구가 계속되어야 한다. 또한 신재생에너지 자원 가용량 정보에 관한 통계적 접근은 본 연구의 접근방식에 의한 결과에 불확실성을 가중시킨다. 따라서 더 정확한 신재생자원 자료의 확보는 본 최적화 모델의 결과의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
  • 본 연구에서는 신재생에너지 자원을 이용한 독립 에너지공급 시스템의 설계하고, 에너지 시스템 분석 방법론의 효용성을 검증하기 위하여 실제 한국 16개 지역의 자원 데이터 및 에너지 요구량을 분석하였다. 이를 기반으로 에너지 시스템 모델링 및 최적화 소프트웨어인 iHOGA (improved Hybrid Optimization by Genetic Algorithms)를 이용하여 최적 설계안을 제시하고 각 에너지 공급시스템의 경제성을 비교 분석하였다[15].

가설 설정

  • 본 연구에서는 고정비(FC)는 $360, 변동비(VC)는 초기 시스템 비용의 2% (α)로 가정하였다.
  • 여기서 자본 회수 계수(CCF)는 돈의 미래가치를 현재가치로 환산하는 식으로 시간적 가치를 고려하여야 하며, r은 이자율로 7%, t는 상환주기로 10년 가정하였다. 순 현재가치(NPCt)는 연간 상환 비용(APC)을 현재가치로 환산한 값이며, i는 이자율(Nominal interesting rate)로 4%, t는 해당 년도로 1~10년의 값을 갖는다.
  • 상기 기술들을 용량 별로 타입을 나누었으며 기술적 경제적 데이터는 iHOGA에서 제공되며 Table 2에 나타내었다. 초기투자 비용은 PV가 각각 $132, $332, $600, Wind turbine이 각각 $5,850, $9,066, $16,800, $26,400, $70,800, 저장장치는 각각 $143, $148, $240, 화석연료 기반 발전장치는 각각 $300, $480, $960로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지구온난화로 인한 기후변화의 직접적인 원인 중 하나는 무엇인가? 2014년 국제적으로 논의된 기후변화에 관한 참여 정부간 협의체(IPCC)의 평가 종합보고서에 따르면 지구온난화로 인한 기후변화의 직접적인 원인 중 하나는 바로 화석연료 사용으로 인한 인위적인 온실가스 배출이다[1]. 이에 앞서 1997년 교토의 정서에 의한 주요 선진국들의 온실가스감축 협의에 따라 한국정부는 2020년까지 예상되는 이산화탄소 배출량의 30%를 감축하는 정책을 추진하였다[2,3].
현재 한국의 에너지 소비형태를 살펴보면 전체 에너지수요량의 97%를 해외에 의존하며 총 에너지 소비의 약 85%를 화석연료가 차지하고 있는 것을 통해 알 수 있는 것은 무엇인가? 현재 한국의 에너지 소비형태를 살펴보면 전체 에너지수요량의 97%를 해외에 의존하며 총 에너지 소비의 약 85%를 화석연료가 차지하고 있다[4,5]. 한국의 이러한 화석연료 기반 에너지공급 시스템은 국내 부존자원의 부재, 해외 에너지 시장의 높은 변동성 및 지정학적 불안정으로 인하여 지속가능성이 낮음을 알 수 있다. 또한 전세계 화석연료의 매장량이 2030년 이후에는 감소할 것으로 예상되며 에너지수출 국가들이 자국의 에너지 안보 및 경제성 취득을 위해 자원을 독점할 가능성도 배제할 수 없다.
1997년 교토의 정서에 의한 합의에 따라 한국정부는 어떤 정책을 추진하였는가? 2014년 국제적으로 논의된 기후변화에 관한 참여 정부간 협의체(IPCC)의 평가 종합보고서에 따르면 지구온난화로 인한 기후변화의 직접적인 원인 중 하나는 바로 화석연료 사용으로 인한 인위적인 온실가스 배출이다[1]. 이에 앞서 1997년 교토의 정서에 의한 주요 선진국들의 온실가스감축 협의에 따라 한국정부는 2020년까지 예상되는 이산화탄소 배출량의 30%를 감축하는 정책을 추진하였다[2,3]. 현재 한국의 에너지 소비형태를 살펴보면 전체 에너지수요량의 97%를 해외에 의존하며 총 에너지 소비의 약 85%를 화석연료가 차지하고 있다[4,5].
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참고문헌 (19)

  1. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, Pachauri, R. K. and Meyer, L. A. (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 pp. 

  2. Nakata, T., Kubo, K. and Lamont, A., "Design for Renewable Energy System with Application to Rural Areas in Japan," Energy Policy, 33, 209-219(2005). 

  3. Kim, H., Baek, S., Park, E. and Chang, H. J., "Optimal Green Energy Management in Jeju, South Korea - On-grid and Off-grid Electrification," Renewable Energy, 69, 123-133(2014). 

  4. Korea Energy Economics Institute, "Monthly Energy Trends," Energy Economic Indicator Analysis Report: No. 40(2015). 

  5. Yoon, J. and Sim, K., "Why is South Korea's Renewable Energy Policy Failing? A Qualitative Evaluation," Energy Policy, 86, 369-379(2015). 

  6. Moriarty, P. and Honnery, D., "What is the Global Potential for Renewable Energy?," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 244-252(2012). 

  7. Yoo, K., Park, E., Kim, H., Ohm, J. Y., Yang, T., Kim, K. J., Chang, H. J. and del Pobil, A. P., "Optimized Renewable and Sustainable Electricity Generation System for Ullengdo Island in South Korea," Sustainability, 6, 7883-7893(2014). 

  8. Ku, S. and Yoo, S., "Willing Ness to Pay for Renewable Energy Investment in Korea: A Choice Experiment Study," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, 2196-2201(2010). 

  9. Kim, M. and Kim, J., "Optimal Design and Economic Evaluation of Energy Supply System from On/Off Shore Wind Farms," Korean Chem. Eng. Res, 53(2), 156-163(2015). 

  10. Lim, J. H., "Optimal Combination and Sizing of a New and Renewable Hybrid Generation System," International Journal of Future Generation Communication and networking, 5(2), 43-60(2012). 

  11. Ni, M., Leung, M. K. H., Sumathy, K. and Leung, D. Y. C., "Potential of Renewable Hydrogen Production for Energy Supply in Hong Kong," International Journal of Hydrogen Energy, 31, 1401-1412(2006). 

  12. Rehman, S., Alam, M. M., Meyer, J. P. and Al-Hadhrami, L. M., "Feasibility Study of a Wind-pv-diesel Hybrid Power System for a Village," Renewable Energy, 38, 258-268(2012). 

  13. Fadaeenejad, M., Radzi, M. A. M., AbKadir, M. Z. A. and Hizam, H., "Assessment of Hybrid Power Sources for Rural Electrification in Malaysia," Renewable and Sustainable Energy, 30, 299-305(2014). 

  14. Dufo-Lopez, R., Bernal-Agustin, J. L., Yusta-Loyo, J. M., Dominguez-Navarro, J. A., Ramirez-Rosado, I. J., Lujano, J. and Aso, I., "Multiobject Optimization Minimizing Cost and Life Cycle Emissions of Stand-alone PV-wind-diesel Systems with Batteries Storage," Applied Energy, 88, 4033-4041(2011). 

  15. Dufo-Lopez, R., Bernal-Agustin, J. L., HOGA (Hybrid Optimization by Genetic Algorithms) software. 

  16. Korea Electric Power Corporation. 

  17. Korean Statistical Information Service. 

  18. NASA Atmospheric Science Data Center 

  19. Korea Electric Power Corporation, "Statistics of Electric Power in Korea," KEPCO Report: No. 84(2014). 

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